[发明专利]一种双层水凝胶仿生手及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能性聚合物-无机纳米粒子杂化材料的仿生智能材料领域，具体涉及一种双层水凝胶仿生手及其制备方法。

背景技术

水凝胶由于含有大量的水，并且具有完善的三维网络结构赋予其软物质的特性，具有弱刺激-强响应、少添加-大效果、驱动条件温和等优点；而软物质驱动器特别是水凝胶驱动器在智能器件领域的发展日益受到关注。生物体独特的结构和对外界刺激的智能响应性，对新型驱动器材料的开发和设计具有重要的启发和指导，将生物体的结构和特点应用于新材料的设计和开发，即以仿生的方式来设计新的水凝胶驱动器，是今后水凝胶材料智能化的发展方向。

在水凝胶驱动器的研究中，双层水凝胶驱动器可以将水凝胶各向同性的刺激-响应转换为各向异性形变，为目前研究颇为广泛的一种水凝胶驱动器。但目前报道的双层水凝胶驱动器一般是通过先制备第一层水凝胶，然后在第一层水凝胶表面通过原位聚合反应再制备第二层水凝胶得到双层水凝胶（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15633；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 1758），制备过程比较复杂，并且两层之间的相互作用较弱。同时，由于传统水凝胶中含有大量水分，因此力学强度很低，无法承受较大的拉伸、压缩或反复形变等，大大制约了水凝胶在驱动器领域的应用。

从人体手掌的动作过程受到启发，以双层水凝胶驱动器为基础，我们创造性地设计了一种简易的双层水凝胶仿生手，即将两层水凝胶通过凝胶本身的粘性作用紧密结合在一起，并将其设计为人手形状，得到双层水凝胶仿生手，该仿生手能够在溶液中，通过改变溶液的pH、离子强度等方法实现手掌开、合等模仿人手动作的仿生驱动效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种双层水凝胶仿生手及其制备方法。

本发明的水凝胶仿生手由两层水凝胶通过水凝胶的粘性组合在一起，然后裁剪成人手形状。两层水凝胶分别为：第一层为具有pH响应性、粘性的聚丙烯酸水凝胶，该水凝胶由丙烯酸单体、无机纳米交联剂人造水辉石、化学交联剂N, N'-亚甲基双丙烯酰胺在水中聚合而成；第二层水凝胶为Fe³⁺交联的聚丙烯酸水凝胶，为第一层水凝胶通过浸泡氯化铁/盐酸混合溶液而制得。该双层水凝胶仿生手能在不同pH的溶液中，通过改变溶液的pH、离子强度的方法实现手掌合起、张开的类似人手掌的仿生动作，达到抓取、释放物体的效果。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种双层水凝胶仿生手的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备第一层聚丙烯酸水凝胶：首先将丙烯酸单体、无机纳米交联剂人造水辉石和化学交联剂N, N'-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂分散在水中，除去反应液中的氧气，然后将反应液加入到模具中并密封，置于50 ~ 70 ℃环境中反应2 ~ 12小时，得到聚丙烯酸水凝胶；

（2）制备第二层Fe³⁺交联的聚丙烯酸水凝胶：将制备好的第一层聚丙烯酸水凝胶浸泡在氯化铁/盐酸混合溶液中0.5 ~ 20小时，得到Fe³⁺交联的聚丙烯酸水凝胶；

（3）将第一、二层水凝胶利用第一层水凝胶的粘性粘接在一起得到双层水凝胶，将该双层水凝胶裁剪为手的形状即得到双层水凝胶仿生手。

进一步地，步骤（1）所述无机纳米交联剂人造水辉石的质量为步骤（1）中所加水的质量的0.5% ~ 3%。

进一步地，步骤（1）所述丙烯酸单体的质量为步骤（1）中所加水的质量的30% ~ 50%。

进一步地，步骤（1）所述化学交联剂N, N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量为步骤（1）中丙烯酸单体质量的0.01% ~ 0.05%。

进一步地，步骤（1）中所述引发剂为热引发体系，引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，所述引发剂的用量为步骤（1）中单体质量的0.5% ~ 1.5%。

进一步地，步骤（2）中所述氯化铁/盐酸混合溶液中氯化铁浓度为0.01 ~ 0.1 mol/L，盐酸浓度为0.05 ~ 0.5 mol/L。

由以上所述制备方法制得的一种双层水凝胶仿生手。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点与技术效果：